衍射光学系统的激光应用和稀疏成像分析

李道京 朱宇 胡烜 于海锋 周凯 张润宁 刘磊

李道京, 朱宇, 胡烜, 等. 衍射光学系统的激光应用和稀疏成像分析[J]. 雷达学报, 2020, 9(1): 195–203. doi: 10.12000/JR19081
引用本文: 李道京, 朱宇, 胡烜, 等. 衍射光学系统的激光应用和稀疏成像分析[J]. 雷达学报, 2020, 9(1): 195–203. doi: 10.12000/JR19081
LI Daojing, ZHU Yu, HU Xuan, et al. Laser application and sparse imaging analysis of diffractive optical system[J]. Journal of Radars, 2020, 9(1): 195–203. doi: 10.12000/JR19081
Citation: LI Daojing, ZHU Yu, HU Xuan, et al. Laser application and sparse imaging analysis of diffractive optical system[J]. Journal of Radars, 2020, 9(1): 195–203. doi: 10.12000/JR19081

衍射光学系统的激光应用和稀疏成像分析

doi: 10.12000/JR19081
基金项目: 国家高分辨率对地观测系统重大专项(GF0314)
详细信息
    作者简介:

    李道京(1964–),男,1986年和1991年在南京理工大学分别获通信与电子系统专业工学学士和硕士学位。1986年至2006年在中国兵器工业第206研究所从事地面雷达的研制工作。2003年7月在西北工业大学电路与系统专业获工学博士学位,同年10月进入中科院电子所通信与信息工程专业做博士后,2006年3月出站正式进入中科院电子所工作。现任中国科学院空天信息创新研究院微波成像技术重点实验室研究员、博士生导师,主要研究方向为雷达系统和雷达信号处理。已经发表学术论文100余篇,出版专著3部,获得授权发明专利20余项。E-mail: lidj@mail.ie.ac.cn

    通讯作者:

    李道京 lidj@mail.ie.ac.cn

  • 中图分类号: TN958.98

Laser Application and Sparse Imaging Analysis of Diffractive Optical System

Funds: The Major Project of High-Resolution Earth Observation System of China (GF0314)
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  • 摘要: 近年来衍射光学系统得到了快速发展,衍射器件(如二元光学器件和膜基透镜)相当于微波天线的固定移相器,微波相控阵天线成熟的理论和方法应可用于其性能分析。激光SAR和激光通信都具有单色且波长较长的特点,特别适合采用非成像衍射光学系统,通过衍射器件实现信号波前控制,减小焦距并有利于系统的轻量化。基于衍射光学系统,研究激光SAR和激光通信技术具有重要的理论意义和应用价值。该文给出了衍射光学系统的相控阵解释,介绍了基于衍射光学系统已开展的机载激光SAR和星载激光SAR研究工作。提出了艇载1 m衍射口径激光通信和干涉定位系统概念并分析了其性能,该系统在10 m短基线下,其作用距离将达到4×108 km,对应的定位精度在6 km量级,可用于深空探测。该文同时探讨了稀疏采样激光成像问题,在激光照射目标条件下,提出用傅里叶透镜将激光图像信号变换到频域,在低频区域利用小规模探测器实施稀疏采样,等效进行2维低通滤波处理,再用计算机重构目标图像的设想,给出了一些初步的仿真结果。

     

  • 图  1  在馈源和主镜两处使用衍射器件的机载激光SAR接收衍射光学系统示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of an airborne laser SAR receiving diffraction optical system using a diffraction device at both the feed and the main mirror

    图  2  基于衍射光学系统的星载激光SAR系统概念示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of spaceborne laser SAR system based on diffractive optical system

    图  3  基于光学合成孔径的衍射光学系统

    Figure  3.  Schematic diagram of diffractive optical system based on optical synthetic aperture

    图  4  短基线激光通信干涉系统在艇上的布设示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of short baseline laser communication interferometric system on the ship

    图  5  激光波束2维扫描的衍射光学系统示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of a diffractive optical system for laser beam two-dimensional scanning

    图  6  傅里叶光学成像中的4f实验示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of 4f experiment in Fourier optical imaging

    图  7  原始图像、2维频谱及其局部放大图

    Figure  7.  Original image, two-dimensional spectrum and its partial enlarged view

    图  8  1/2×1/2规模频域探测器范围、对应的图像及其局部放大图

    Figure  8.  The 1/2×1/2 scale frequency domain detector range, its corresponding image and partial enlarged view

    图  9  1/4×1/4规模频域探测器范围、对应的图像及其局部放大图

    Figure  9.  The 1/4×1/4 scale frequency domain detector range, its corresponding image and partial enlarged view

    图  10  5个有缝拼接的1/4×1/4规模频域探测器范围、对应的图像及其局部放大图

    Figure  10.  The range of 5 1/4×1/4 scale frequency domain detector with gaps, its corresponding image and partial enlarged view

    表  1  激光通信系统参数

    Table  1.   Parameters of laser telecommunication system

    下行参数数值上行参数数值
    波长1.064 μm波长1.064 μm
    带宽15 kHz带宽15 kHz
    探测器发射望远镜口径0.1 m艇载发射望远镜口径1.0 m
    艇载接收望远镜口径1.0 m探测器接收望远镜口径0.1 m
    探测器激光发射功率10 W艇载激光发射功率15 W
    探测器发射光学系统传输效率0.9艇载发射光学系统传输效率0.7
    艇载接收光学系统传输效率0.8探测器接收光学系统传输效率0.9
    光电探测器量子效率0.5光电探测器量子效率0.5
    外差探测效率0.5外差探测效率0.5
    光学系统的其他损耗0.3光学系统的其他损耗0.3
    电子学噪声系数2 dB电子学噪声系数2 dB
    下行数据信噪比6 dB上行数据信噪比6 dB
    作用距离4.08×108 km作用距离4.32×108 km
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-09
  • 修回日期:  2020-02-03
  • 网络出版日期:  2020-02-28

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